3.3 Биполярные транзисторы и их характеристики

Биполярный транзистор (БПТ) представляет собой трёхслойную управляемую структуру с чередующимся типом электропроводности слоев и содержит два p-n–перехода, рисунок 3.19.

Рисунок 3.18 – ВАХ симистора

Эмиттерный переход инжектирует носители заряда в базу, а коллекторный переход собирает носители заряда, прошедшие через базовый слой. В транзисторе p-n-p-типа инжектируются дырки, а в транзисторе n-p-n-типа – электроны.

Рисунок 3.19 – Структура и УГО БПТ

3.3.1 Принцип действия биполярного транзистора

Концентрация основных носителей заряда в базе много меньше концентрации носителей заряда в эмиттере: для p-n-p-типа p_p0 >> n_n0. На границах раздела слоев образуются объемные заряды, создается внутреннее электрическое поле, а между слоями действует внутренняя разность потенциалов.

Внешние напряжения подключают так, чтобы обеспечить смещение эмитерного перехода в прямом направлении, а коллекторного перехода – в обратном направлении, рисунок 3.20. Так как U_э смещает переход э/б в прямом направлении, дырки из эмиттера в большом количестве переходят (инжектируются) в базу. Аналогично – электроны переходят из базы в эмиттер. Появляется ток эмиттера из двух составляющих I_эр и I_эn: I_э = I_эn + I_эр.

Выполняется соотношение I_эn << I_эp. Составляющая дырочного тока примерно равна 0,97-0,99 от I_э. Часть дырок в базе уходит к U_э, образуя ток I_{обр эб}. Большинство дырок из базы захватывается электрическим полем коллектора и образует ток I_кр, который меньше по числу дырок, пришедших в базу из эмиттера, так как в базе часть дырок рекомбинирует.

Рисунок 3.20 – Принцип действия БПТ p-n-p-типа

Из-за рекомбинации в базе появляется недостаток электронов, они затягиваются из U_э, образуя собой ток базы I_бn. То есть I_эр = I_кр + I_бр. Коллекторный ток I_к (за счет I_кр) связан с током I_э коэффициентом передачи :  = I_кр/I_э  1.

Наличие коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, приводит к появлению тока I_ко - это дрейф не основных носителей заряда (здесь дырок из базы и электронов из коллектора). Таким образом, у транзистора p-n-p :

I_э = I_эn + I_эр; I_к = I_кр + I_ко; I_б = I_эn+ I_бр+ I_ко. (3.6)

Управляющее свойство транзистора – это зависимость составляющей выходного коллекторного тока I_кр от изменения составляющей входного эмиттерного тока I_эр. Принцип действия БПТ – создание транзитного (проходящего) тока носителей заряда из эмиттера в коллектор через базу и управление выходным током за счет изменения входного тока. То есть БПТ управляется током. Можно записать:

I_э = I_к + I_б; I_к = I_э + I_ко; I_б = (1- )I_э – I_ко . (3.7)

Ток I_ко влияет на входной (управляющий) ток БПТ, вследствие чего входной ток зависит от температуры.

3.3.1.1 Схемы включения бпт и их свойства

Вид входной и выходной ВАХ зависит от схемы включения транзистора. Есть три схемы включения: с общей базой (ОБ); с общим эмиттером (ОЭ); с общим коллектором (ОК). Название определяется по выводу, являющемуся общим для входной и выходной цепей хотя бы по переменному току. ВАХ в схемах ОЭ и ОК примерно одинаковы и обычно рассматривают характеристики схем ОЭ и ОБ. Схема ОБ (рисунок 3.21).

Рисунок 3.21 – Схема включения БПТ с ОБ

Входной сигнал в данной схеме не инвертируется. Выходные ВАХ – это зависимость I_k = f(U_кб), рисунок 3.22. В зоне 1: начальная область I_k лежит левее оси ординат, так как при U_кб = 0 в качестве этого напряжения выступает внутренняя разность потенциалов ₀ перехода коллектор-база. В зоне 2: слабый подъем характеристик при увеличении U_кб появляется, так как при этом уменьшается толщина базы (модуляция толщины базы), уменьшается число рекомбинаций в базе, что ведет к увеличению  и I_k.

Рисунок 3.22 – Выходные ВАХ схемы с ОБ

Также с увеличением U_кб, увеличивается I_kо. Этот факт характеризуется дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода:

. (3.8)

При I_э = 0, I_k – это I_kо. Во второй области, из схемы следует:

. (3.9)

Наличие составляющей I_KО – главная причина температурной зависимости выходных характеристик транзистора. В зоне 3 с увеличением U_кб может произойти тепловой пробой перехода коллектор-база. Максимально допустимое напряжение U_{кб max} – справочный параметр.

Входные характеристики схемы ОБ – это зависимость i_Б = f(u_эб). Они близки к виду прямой ветви ВАХ диода, рисунок 3.23.

Рисунок 3.23 – Входные характеристики схемы с ОБ

Схема ОЭ, рисунок 3.24. Напряжение на переходе база-эмиттер определятся разностью напряжений U_КЭ и U_БК.

Рисунок 3.24 – Схема включения с ОЭ

Входной сигнал в данной схеме инвертируется. Выходные ВАХ определяются зависимостью I_K = f(U_KЭ) при I_Б = const. Так же, как и для схемы с ОБ, выделяются три области, рисунок 3.25. Но, в отличие от выходной ВАХ схемы ОБ, здесь графики выходят из начала системы координат.

В зоне 1 переход коллектор-база открыт и здесь наблюдаются большие нелинейные искажения усиливаемого сигнала. Эта зона ограничивается примерным значением напряжения U_КЭ = 0,5-1,5 В. В зоне 2, при U_КЭ = 0, переход коллектор-база открыт, и из коллектора и эмиттера инжектируются в базу дырки, где они уравновешивают друг друга и I_K » 0. С увеличением U_КЭ уменьшается прямое напряжение на переходе коллектор-база (которое создавало U_БЭ), и из коллектора инжекция дырок в базу уменьшается, а величина I_K увеличивается. На границе зон 1 и 2 переход коллектор-база уже полностью смещен в обратном направлении. Это U_КЭ » 0,5-1,5 В.

Рисунок 3.25 - Выходные ВАХ каскада с ОЭ

В области 2 справедливо выражение:

, (3.10)

где  = I_K/I_Б = /(1 – ) – коэффициент передачи тока в схеме ОЭ.

Если  лежит примерно в пределах (0,9–0,99), то   [9–(100–1000)]. То есть в схеме с ОЭ БПТ даёт усиление по току. Область 3 – в ней возможен пробой коллекторного перехода: U_{КБ max ДОП} в 1,5–2 раза меньше, чем в схеме с ОБ.

Входные ВАХ определяются зависимостью I_Б = f(U_БЭ) при U_КЭ = const.